為何做“沒有價值”的科學(xué)：費米國家加速器實驗室50周年
?威爾遜霍爾，F(xiàn)ermilab標(biāo)志性的高層建筑。
撰文 | 吳進(jìn)遠(yuǎn)（美國費米國家加速器實驗室）
責(zé)編 | 陳曉雪
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2017年是美國費米國家加速器實驗室成立50周年。50年來，實驗室取得了輝煌的成就，這一切與它的第一任實驗室主任羅伯特·威爾遜 (Robert R. Wilson) 以及其他同事的卓越貢獻(xiàn)是分不開的。時至今日，回顧科學(xué)先賢們的實踐和理念，對于我們的工作，仍然有著寶貴的借鑒意義。
?圖1：費米國家加速器實驗室成立50周年紀(jì)念合影。作者在圖中箭頭標(biāo)示的位置（來源：www.fnal.gov）
羅伯特·威爾遜最著名的一個論斷，是他在1969年4月答復(fù)國會議員質(zhì)詢時說的一句話。當(dāng)時議員們關(guān)心這個新的實驗室以及獲得的新知識對國家的安全有哪些幫助，羅伯特·威爾遜回答說，這是一個長期的，關(guān)乎國家榮耀，愛國主義的事。這些新知識并不能直接地保衛(wèi)國家，但卻能“使之值得被保衛(wèi)”[1]。
?圖2: 羅伯特?威爾遜（來源：www.fnal.gov）
這樣一句看似不經(jīng)意的話卻道出了國家實驗室以及大型科學(xué)裝置的定位：它們不僅僅是科研工作所需的儀器設(shè)備，更是國家價值的體現(xiàn)。
費米實驗室與科學(xué)技術(shù)研究
在威爾遜和幾代科學(xué)家的領(lǐng)導(dǎo)下，費米國家加速器實驗室取得了許多令人矚目的成就。別的不說，單說組成我們這個世界的12種基本粒子：6種夸克與6種輕子。費米實驗室發(fā)現(xiàn)了其中的b與t兩種夸克，以及輕子陶中微子。這些發(fā)現(xiàn)極大地豐富了人們對于世界的認(rèn)識。僅以我的經(jīng)歷而言，我在初入高能物理學(xué)時，人們確實對于t夸克講不出什么。這是由于人們當(dāng)時還沒有探測到它，對它的質(zhì)量、壽命、衰變模式等知之甚少。這些知識，都是在1995年費米實驗室發(fā)現(xiàn)了第六個，也就是最后一個夸克，t夸克之后，才得以最終確認(rèn)。在數(shù)十年這么短的時間尺度上，能夠見到科學(xué)知識如此的迅速積累，這在科學(xué)史上并不多見。
粒子物理的發(fā)現(xiàn)，并不是靠每天推導(dǎo)量子力學(xué)公式得到的，而是通過精密的實驗得到的。實驗用到的裝備，不論是產(chǎn)生新粒子用的加速器，還是探測新粒子衰變產(chǎn)物的探測器，都需要投入大量人力物力來研發(fā)。通過這種研發(fā)工作，我們可以得到很多“副產(chǎn)品”，那就是在超導(dǎo)，射頻，探測器材料與結(jié)構(gòu)，電子學(xué)，計算機等領(lǐng)域的新技術(shù)與新知識。這些新技術(shù)與新知識又逐步地在工業(yè)，醫(yī)學(xué)檢測與治療技術(shù)等方面獲得應(yīng)用，造福社會。
費米實驗室與人文、藝術(shù)和環(huán)境
毫無疑問，科學(xué)與技術(shù)的研發(fā)成果是一個實驗室存在的終極價值。但威爾遜并不滿足于此，他為實驗室注入了許多人文、藝術(shù)與環(huán)境元素。整個實驗室建設(shè)得像一個公園，園區(qū)甚至開辟了一片牧場，飼養(yǎng)了一群美洲野牛 (American bison ，Bison bison )，這個種群不斷繁衍并與其它種群交換，一直飼養(yǎng)到現(xiàn)在。
?圖3：美洲野牛（來源：www.fnal.gov）
實驗室里有許多雕塑，是威爾遜自己設(shè)計制作的。有一個當(dāng)年的老同事回憶[2]，曾經(jīng)有一位暑期實習(xí)生，晚上到車間加班，看到一個人在那里電焊，就和他打招呼：“你在做什么？”威爾遜回答：“我在給外面的水池做一個雕塑?！睂W(xué)生并沒有想到，這個人就是實驗室主任。他還說：“哎媽呀，他們可真能給你找活，讓你在這里浪費時間”。
?圖4：費米實驗室園區(qū)的一座威爾遜的雕塑作品《莫比烏斯環(huán)》。（作者拍攝）
據(jù)記載，威爾遜有一個時期利用業(yè)余時間制作了多個金屬雕塑，這些雕塑至今仍然矗立在費米國家加速器實驗室的園區(qū)中，成為實驗室的景觀。
費米實驗室與公眾科普教育
費米實驗室多年來形成了重視對公眾進(jìn)行科普教育的傳統(tǒng)。2017年9月23日，作為50周年慶典系列活動之一，費米實驗室舉辦了盛大的開放日活動。實驗室開放了多處科研設(shè)施讓公眾參觀，并租用了幾十輛校車，接運1萬名訪客（本次活動注冊的訪客有2萬人，當(dāng)天因天氣異常炎熱，實到1萬人。筆者也是千余名志愿者之一）。
?圖5：費米實驗室50周年慶典系列開放日活動前，幾十輛校車等候接運訪客（作者拍攝）
除了這種超大型的開放日，費米實驗室還經(jīng)常舉辦各種各樣的科普活動。事實上，全年365天，公眾每天都可以來實驗室的開放區(qū)域自由參觀。每周三，或提前預(yù)約的團體，還可以參加由專業(yè)講解人員引導(dǎo)的深度參觀。此外，實驗室還會經(jīng)常舉辦各種科學(xué)普及教育講座。
這種公眾科普教育對于社會的貢獻(xiàn)是漸進(jìn)的。人們也許并沒有完全理解科學(xué)研究的內(nèi)容本身，但科學(xué)精神與科學(xué)思維方式會潛移默化地影響到人們。在精神層面，人們通過了解大型科學(xué)裝置所獲得的自豪感、自信感和認(rèn)同感，亦深刻地影響著人們的精神面貌。我自己接觸過許多公眾訪客，能夠相當(dāng)直接地感受到人們在精神上體現(xiàn)出來的快樂、健康。我觀察到的一個有趣現(xiàn)象是，人們談?wù)摽蒲泄ぷ骱涂茖W(xué)裝置時，都喜歡使用“we”，“our”這樣的代詞，使用“they”的情況并不多，使用“you”的情況幾乎沒有。
這里我想特別指出，在訪客當(dāng)中，很多成年人對于科學(xué)保持了濃厚的興趣和好奇。而在我接觸過的華人群體中，大家都很重視孩子的科學(xué)教育，為了孩子來參觀或聽講座可以開很遠(yuǎn)的車，任勞任怨，但家長自己卻往往對科學(xué)缺乏興趣。這是一個應(yīng)該引起重視的差距。希望至少從《知識分子》的作者與讀者們開始，大家能夠保持自己對于科學(xué)的興趣，《知識分子》也有更多面對成年人的科普作品。
與很多人的印象相反，公眾對于這種完全靠納稅人的錢建設(shè)運行的科研設(shè)施實際上相當(dāng)支持。在我接觸過的訪客中，從來沒有聽到過任何負(fù)面評論，從沒有人抱怨：我們還有那么多窮人，你們耗費納稅人那么多錢，做的事情有什么用?？蒲袉挝慌c公眾能夠形成這樣良好的互動，這與很多人的努力密不可分，這中間的經(jīng)驗值得認(rèn)真研究與借鑒。
費米實驗室與中小學(xué)生科學(xué)教育
實驗室對于中小學(xué)生的科學(xué)教育也非常重視。特別值得介紹的，是附近的一所數(shù)理高中。這所學(xué)校是由實驗室的第二任主任、諾貝爾獎獲得者里昂·萊得曼 (Leon M. Lederman) 與伊利諾伊州政府有關(guān)機構(gòu)創(chuàng)辦的，名為Illinois Mathematics and Science Academy（IMSA）[3]。學(xué)校設(shè)置高中10至12年級，面向全州選拔學(xué)生，作者的女兒也是這個學(xué)校的畢業(yè)生。里昂?萊得曼曾有很長一個時期常駐學(xué)校，除了在各種活動上，學(xué)生們還經(jīng)常有機會與他交談，共進(jìn)午餐，直接感受科學(xué)家的思維方式。
?圖6：里昂·萊得曼（來源：www.fnal.gov）
IMSA最重要的一個特點是它的研學(xué)課程，通常是11與12年級的學(xué)生參加。每周三，學(xué)校安排車輛，將學(xué)生送往芝加哥附近的多個國家實驗室或大學(xué)，學(xué)生在一個學(xué)年中，到這些科研機構(gòu)，每周在導(dǎo)師指導(dǎo)下工作一天，以此獲得第一手的真實科學(xué)研究經(jīng)驗。能夠指導(dǎo)安排準(zhǔn)備知識明顯不足的高中學(xué)生有效地參與科研工作，并取得雖小但確實有用的結(jié)果，對于導(dǎo)師來說也是個不小的挑戰(zhàn)。費米實驗室每年都會接待多位學(xué)生，也同時訓(xùn)練出了這樣一批導(dǎo)師，作者也是其中之一。要想帶好學(xué)生，導(dǎo)師要有愛心、耐心與細(xì)心，但僅僅做到這點還不夠，還要有科學(xué)方法，把帶學(xué)生當(dāng)成一項科研題目來做，隨時發(fā)現(xiàn)問題，解決問題。至今，作者累計帶了十多位學(xué)生，最早的學(xué)生現(xiàn)在已經(jīng)成為他們工作領(lǐng)域中的優(yōu)秀人才。
費米實驗室與國際合作
費米實驗室的實驗研究工作，通常都是與國際上的科研機構(gòu)以及大學(xué)合作進(jìn)行的。這種合作，可以將國際上本領(lǐng)域的智力與財力資源有效地整合起來，以完成單一機構(gòu)難以實現(xiàn)的目標(biāo)。而在冷戰(zhàn)期間，實驗室與蘇聯(lián)科學(xué)研究機構(gòu)從1972年開始就有合作，這種合作顯得格外引人注目。作為一個科研單位，同時起到緩和國家關(guān)系的作用，這種貢獻(xiàn)是獨特而無可替代的。
在實驗室的餐廳，現(xiàn)在還有一個彩繪的飯桌，就是這種合作的見證。
?圖4：費米實驗室餐廳中的彩繪飯桌（作者拍攝）
這個飯桌是一位早期來實驗室合作過的蘇聯(lián)科學(xué)家贈送的[4]，上面繪制了七個俄羅斯風(fēng)格的娃娃。我曾聽到過實驗室的一位講解員介紹說，這七個娃娃象征最早來參加合作工作的七位蘇聯(lián)科學(xué)家的妻子。盡管這個說法暫時沒有辦法考證，但確實是一個很好的故事。
回顧科學(xué)界前輩們對大型科學(xué)研究裝備的定位，對我們來說很有參考與借鑒的價值。中國的經(jīng)濟發(fā)展與工業(yè)基礎(chǔ)建設(shè)都取得了巨大的成就，從而使得建設(shè)更多的大型科學(xué)裝置成為可能。大型科學(xué)裝置除了在科學(xué)探索方面的功能，同時也使國家變得更好更有價值。大型科學(xué)裝置還具備技術(shù)研發(fā)平臺，公眾科學(xué)教育平臺以及國際交往平臺等多種功能。因而在決策過程中，更寬地認(rèn)知大型科學(xué)裝置的效益，有利于促使其發(fā)揮更大的社會作用。對于已經(jīng)建成運行的大型科學(xué)裝置，我們應(yīng)該像重視其科學(xué)目標(biāo)一樣地重視它的其它功能，使之更好地為社會服務(wù)。
參考文獻(xiàn)：
[1]https://history.fnal.gov/testimony.html
[2]Fermi News, Jan. 28, 2000 (Online: https://www.fnal.gov/pub/ferminews/Ferminews00-01-28.pdf)
[3]https://www.imsa.edu/extensionprograms/greatminds/Dr_Lederman
[4]https://history.fnal.gov/visitors.html#festival
制版編輯： 許逸｜
